Когда небеса утратили совершенство

Original author: Alan Lightman
  • Translation

Приход телескопов сломал наши идеалы, связанные с ночным небом




У меня в руке – небольшая книга, "Звёздный вестник" (в оригинале на латыни — Sidereus Nuncius), написанная итальянским математиком и учёным Галилео Галилеем в 1610. Первое издание напечатали тиражом в 550 экземпляров, из которых до сегодняшнего дня дошло полторы сотни. Несколько лет назад на аукционе Кристис первые издания книги оценивали в сумму от $600 000 до $800 000. Моя копия в мягкой обложке, напечатанная в 1989, обошлась мне в $12.

И хотя история науки не увенчала «Вестник» такими же щедрыми лаврами, как Ньютоновские "Математические начала натуральной философии" или Дарвиновское "Происхождение видов", я считаю, что это была одна из наиболее влиятельных научных книг, когда-либо изданных. В этой небольшой книге Галилей сообщает о том, что увидел, развернув свой новый телескоп по направлению к небесам: явные свидетельства того, что небесные тела состоят из обычного материала, такого, как зимний лёд на островах. Результат вызвал революцию в умах, разделявших небо и землю, вызвал захватывающее расширение территории материального мира и бросил вызов Абсолюту. Материальность звёзд, совмещённая с законом сохранения энергии, говорит о том, что звёзды обречены на вымирание. Звёзды в небе, наиболее яркие символы бессмертия и постоянства, однажды закончат свою жизнь и умрут.


Телескоп Галилея, использованный им для наблюдения небес в 1610. Сейчас находится в музее Галилея во Флоренции.

Галилей родился в Пизе и вырос во Флоренции. С 1592 года он преподавал математику в Университете Падуи. Будучи не в состоянии разобраться со своими долгами на одну лишь зарплату – ему нужно было выплачивать пособия сёстрам, а также поддерживать трёх детей любовницы – он сдавал жильё и торговал научными инструментами. В конце 1580-х он провёл свой знаменитый эксперимент с движением и падающими телами. В 1609, в возрасте 45 лет, он услышал о новом увеличительном устройстве, недавно изобретённом в Нидерландах. Даже не увидев этого чуда, он быстро разработал и сделал телескоп самостоятельно, и он оказался в несколько раз мощнее голландского. Он, судя по всему, стал первым человеческим существом, направившим такую штуку в небо. Телескопы в Нидерландах называли «шпионскими стёклами» [англ. spyglass; у нас – «подзорная труба» / прим. перев.], что вызывает определённые подозрения по поводу их применения).

Галилей шлифовал и полировал линзы самостоятельно. Его первый инструмент увеличивал объекты примерно в 12 раз. В итоге он смог создать телескопы с тридцатикратным увеличением, и объекты в них казались в тысячу раз ближе, чем на самом деле. Дожившие до наших дней его телескопы можно увидеть в редко посещаемом музее Галилея во Флоренции. Первый его телескоп был 93 см в длину и 4 в ширину, это была трубка, сделанная из дерева и кожи, с выпуклой линзой с одной стороны и вогнутым окуляром с другой. Я недавно изучал его реплику. Во-первых, я был удивлён малостью поля зрения, которое было размером с монетку, расположенную на расстоянии вытянутой руки. И тусклостью. Однако, немного прищурившись, я смог разглядеть бледные картинки в этой монетке тусклого света. А направив примитивный телескоп на здание в сотне метров, я смог различить кирпичи, которых не было видно невооружённым взглядом.

Сложно представить волнение и удивление Галилея, которое он, наверное, испытал, впервые посмотрев при помощи своего инструмента вверх, на «небесные тела» – столетиями описываемые, как вращающиеся сферы луны, солнца и планет. За ними находились вращающиеся кристальные сферы, держащие на себе звёзды, а самую дальнюю сферу, Primum Mobile, вращал пальцем сам Бог. И всё это должно было состоять из эфира, пятого элемента Аристотеля, безукоризненного и идеального по форме и составу, описанному Мильтоном в поэме "Потерянный рай", как «эфемерная квинтэссенция Небес». И всё это было в единстве с сознанием Бога. На самом же деле Галилей увидел через свою маленькую трубу кратеры на луне и тёмные пятна на Солнце.

На несколько столетий ранее Фома Аквинский успешно поженил космологию Аристотеля с христианской доктриной, включая эфемерную природу небесных тел и идею неподвижно висящей в центре мироздания Земли. Лишь в одном Фома отступил от Аристотеля: время жизни Вселенной, бесконечное по Аристотелю, было конечным согласно христианской догме. Обнаруженные Галилеем несовершенства небесных тел бросили серьёзный вызов Церкви. Но и сам телескоп стал вызовом. Метровая труба Галилея была одним из первых инструментов, усиливавших чувства человека, показавшим мир, не видимый природными глазами и ушами. Ничего подобного до появления этого инструмента не существовало. Многие люди отнеслись к нему скептически, сомневаясь в реальности этого устройства и в оценке сделанных им открытий. Некоторые считали странную трубу волшебной, вещью не от этого мира, как если бы кто-то в XIX веке увидел смартфон. Сам Галилей, даже будучи учёным, не совсем понимал, как эта штука работает.

Нужно помнить, что вера в волшебство, колдовство и чёрную магию в Европе была широко распространена в XVI и XVII веках. Только за два этих столетия 40 000 человек, по большей части, женщин, подозреваемых в колдовстве, были сожжены на костре, повешены на виселице или обезглавлены. В 1597 король Яков VI Шотландский, ставший в 1603-м Яковом I Английским, жаловался на «ужасное количество находящихся в это время и в этой стране этих мерзких рабов Дьявола, ведьм и заклинателей». Считалось, что колдуны могут насылать проклятья, повреждая клок волос или ноготь жертвы. Не было ли устройство итальянского математика колдовским?

Другие относились к открытиям Галилея, сделанным при помощи телескопа, с подозрением не потому, что они попахивали чёрной магией или противоречили теологической доктрине, а потому, что они бросали вызов личным взглядам на мир и философским концепциям. Цезаре Кремонини, профессор Аристотелевой философии в Университете Падуи и коллега Галилея, отвергал его заявления о кратерах на луне и пятнах на солнце, но сам отказывался взглянуть в трубу. Впоследствии цитировались слова Кремонини: «Я не хочу поддерживать заявления, о которых мне ничего не известно, и вещи, которых я не видел… да и наблюдения через эти стёкла вызывают у меня головную боль. Достаточно! Я не желаю более ничего слышать об этом». Ещё один современник Галилея, Гиулио Либри, профессор аристотелевой философии в Пизе, также отказался смотреть сквозь трубу. Галилей ответил на эти отказы в письме своему коллеге, учёному Иоганну Кеплеру:

Мой дорогой Кеплер, хотел бы я, чтобы мы могли посмеяться над этой поразительной глупостью обычного люда. Что вы можете сказать о ведущих философах этой академии, переполненных ослиным упрямством, и не желающих смотреть ни на планеты, ни на луну в телескоп, хотя я добровольно и специально предлагал им такую возможность тысячи раз? Вот уж действительно, как осёл прижимает свои уши, так и эти философы закрывают свои глаза перед светом истины.

Небольшая книга Галилея посвящена Козимо II Медичи, великому герцогу Тосканскому. На титульном листе написано: «ЗВЁЗДНЫЙ ВЕСТНИК, открывающий великие и чудесные виды, и демонстрирующий взгляду каждого, а особенно философов и астрономов, вещи, что были увидены ГАЛИЛЕО ГАЛИЛЕЕМ, флорентийским аристократом и преподавателем математики из Университета Падуи, с помощью подзорной трубы, недавно им разработанной…» В книге Галилей демонстрирует собственные рисунки луны, видимой через его телескоп, на котором показаны тёмные и светлые её участки, долины и холмы, кратеры, горы и горные хребты. Он даже оценивает высоту лунных гор по длине их теней.

Когда он посмотрел на линию, разделявшую светлую и тёмную часть луны, так называемый терминатор, она оказалась не плавной кривой, которой можно было бы ожидать от идеальной сферы из теологических измышлений, но искривлённой и неровной. «Каждый сможет понять тогда, — пишет Галилей, — с определённостью чувств, что Луна никоим образом не обладает гладкой и полированной поверхностью, но груба, неровна, и, как и лик у самой Земли, повсюду усыпана огромными выступами, глубокими пропастями и изгибами». Также он сообщил о наблюдении лун у Юпитера, что придало убедительности гипотезе о схожести других планет с Землёй. Иначе говоря, Земля перестала быть особенной. И всё это подтверждало предположение Коперника, сделанное 67 лет назад, о том, что именно Солнце, а не Земля, находится в центре планетной системы. Для такой маленькой книги это было крайне много идей. И без всяких извинений перед Аристотелем или Церковью.

За пару месяцев после публикации Sidereus Nuncius, Галилей стал известен по всей Европе – в частности, потому что у телескопа, кроме научной, были военная и коммерческая ценность. Как писал Галилей другу, «с самых высоких колоколен Венеции можно наблюдать паруса и суда настолько далёкие, что для подхода к порту на всех парусах, когда их уже можно было разглядеть без моей подзорной трубы, им требовалось по два часа и более ». Молва об изобретении распространялась письменно и устно.

Объявление Галилея о наличии тёмных пятен на солнце стало ещё большим вызовом божественному совершенству небес. Теперь нам известно, что эти пятна вызваны временной концентрацией магнитной энергии во внешних слоях солнца. Поскольку они временные, эти пятна появляются и исчезают. В 1611 году Христофор Шейнер, ведущий иезуитский математик в Швабии (юго-западная Германия) достал одно из этих устройств себе, и подтвердил наблюдения Галилея движущихся тёмных пятен перед солнцем. Однако Шейнер взял за основу не подвергавшееся сомнению предположение Аристотеля об идеальности Солнца, поэтому начал выдвигать различные сомнительные аргументы, согласно которым это явление вызывалось другими планетами или лунами, движущимися по орбите вокруг солнца, а не было присущим самому светилу.

Как указано на титульном листе его книги, Галилей был математиком. Обычно считалось, что математика существует в абстрактном и логичном мире. Математики помогали учёным подсчитывать и предсказывать «реальный мир», но математика отличалась от этого мира. В частности, противоречащие теологическим модели системы небесных тел использовались просто как удобные съемы подсчёта, описывающие видимость, а не реальность. Поэтому планетарную систему Аристотеля и Птолемея с Землёй в центре и систему Коперника с Солнцем в центре можно было приравнять друг к другу как разные методы подсчёта, поскольку обе они давали достаточно точные результаты расположения планет. Но первая соответствовала теологическим и философским верованиям, поэтому считалось, что она отражает реальность.

Когда наблюдения Галилея стали известны, представители церкви отреагировали на них со скептицизмом. 19 марта 1611 года кардинал Роберто Беллармин, глава римского коллегиума, писал своим братьям-иезуитам и математикам:

Мне известно, что ваши преподобия слышали о новых астрономических наблюдениях выдающегося математика. Мне нужно знать, поскольку я слышал разные мнения, а вы, преподобные отцы, будучи опытными в математических науках, легко можете сказать мне – обоснованы ли эти новые открытия, или же это всё видимость, не имеющая отношения к реальности.

Хотя математики Церкви спорили по поводу деталей открытий Галилея, они единогласно приняли реальность этих наблюдений. Тем не менее, открытия, сделанные Галилеем при помощи телескопа, и его поддержка гелиоцентрической модели Коперника посчитали непростительной атакой на теологические догмы. За это Галилея, праведного римского католика, однажды всерьёз рассматривавшего возможность стать священником, судила Инквизиция, заставив отречься от большинства его астрономических заявлений, и он провёл последние годы своей жизни под домашним арестом.

Сейчас мне хотелось бы сконцентрироваться не на неверном расположении Земли в центре мироздания, но на новом тогда понятии о материальности небес. Именно эта материализация, попирание так называемых небесных тел, нарушило абсолютную природу звёзд. И разрушение началось с наблюдения кратеров и расщелин Луны. После 1610 года многие мыслители и писатели начали считать луну с планетами местами, где есть почва, воздух и вода, подходящими для человекоподобного, пусть и необычного, населения. В 1630 году Иоганн Кеплер, которому Галилей писал о «глупости обычного люда», закончил работу над очень популярной фантазией Somnium (Сон), в которой мальчик со своей матерью отправляются в космическое путешествие на луну под названием Левания. На Левании всё превосходит земные аналоги. Горы поднимаются гораздо выше земных, равнины опускаются ниже. В горячей зоне Левании присутствуют живые существа, чудовищно крупные и живущие по одному дню. Эти животные, плавающие, летающие и ползающие, живут недостаточно долго для того, чтобы построить города или правительства, но способны поддерживать жизнь. Поскольку Кеплер был выдающимся учёным, научный мир воспринимал эту повесть всерьёз в XVII, XVIII и даже XIX веках.



Существовало и множество других подобных фантазий. В поэме "Слон на Луне" Сэмюэл Батлер, учёный-любитель, наблюдая Луну в телескоп, увидел идущую там битву армий, во время которой лунный слон прыгал с одной линии солдат на другую всего за несколько секунд (возможно, благодаря уменьшенной гравитации Луны). В 1698 голландский математик и учёный Христиан Гюйгенс написал книгу «Космотеорос: открытые небесные миры, или гипотезы касательно обитателей, растений и жизни миров и планет». Эти книги и поэмы были написаны для обычных людей. Они дают некоторое представление о том, как люди в XVII веке начали считать планеты состоящими из обычной материи. Слоны не прыгают по божественным сферам эфемерной квинтэссенции.

Но наибольшее влияние, возможно, оказали открытия Галилея природы звёзд. Идея о том, что звёзды могут быть солнцами, была предложена итальянским философом и писателем Джордано Бруно. В своей книге «О бесконечности, вселенной и мирах», опубликованной в 1584, Бруно писал, что «может существовать бесконечное количество иных миров (земель) со сходными условиями, бесконечное количество солнц или огней сходной природы». За эти астрономические предположения и за отрицание других католических догм, Бруно сожгли на костре в 1600.

К началу XVII века различные мыслители обдумывали идею о том, что звёзды могут быть солнцами. Поэтому, когда Галилей сообщил о пятнах на Солнце, его открытия кардинально повлияли на природу всех звёзд. Звёзды уже нельзя было считать идеальными предметами, состоящими из некоей вечной неуничтожимой субстанции, в отличие от всего земного. Солнце и Луна выглядели так же, как другие материальные вещи на Земле. В XIX веке астрономы начали анализировать химический состав звёзд, разделяя их свет на различные длины волны при помощи призм. Различные цвета можно было связывать с различными химическими элементами, испускающими свет. И оказалось, что в звёздах содержится водород, и гелий, и кислород, и кремний, и множество других распространённых земных элементов. Звёзды были просто материалом – атомами.

Как только Галилей и другие объявили звёзды простым материалом, их дни были сочтены – поскольку все материальные вещи подвержены закону сохранения энергии. Этот закон – парадигма всех законов природы, как в грандиозной области применимости, так и в количественной и логической формулировке. По сути, закон говорит, что энергию нельзя создать или уничтожить. Энергия может переходить из одной формы в другую, как, например, когда химическая энергия спички превращается в тепло и свет её пламени. Но общая энергия в замкнутой системе остаётся постоянной.

Звезда похожа на гигантскую спичку. В ней хранится конечное количество энергии – только в звезде эта энергия не химическая, а ядерная. Эта ядерная энергия высвобождается, когда атомы претерпевают синтез и создают более тяжёлые атомы. Но запасы ядерной энергии в звезде ограничены, точно так же, как запасы химической энергии в спичке. И в процессе «сжигания» звездой ядерного топлива, энергия испускается в пространство, в основном в виде света. Если бы мы представили, что поместили звезду в гигантскую коробку, то общая энергия в этой коробке оставалась бы постоянной, но она постепенно перетекала бы от звезды к свету в коробке и к увеличивающейся тепловой и химической энергии всего, что поглощает этот свет.

Звёзды, конечно, не находятся в гигантских коробках. Но принцип остаётся. Звёзды, состоящие из физического материала, согласно Бруно, и Галилею, и последующим учёным, обладают ограниченным запасом энергии. Звёзды излучают энергию в пространство, расходуя свой конечный запас ядерной энергии. В итоге этот драгоценный звёздный продукт будет израсходован, после чего звёзды сгорают и становятся тёмными. Как произойдёт и с нашим Солнцем примерно через 5 миллиардов лет. Примерно через 1000 миллиардов лет все звёзды в небе станут холодными.

И после этого ночное небо будет абсолютно тёмным. И дневное небо будет тёмным. Мириады звёзд в небе, которое когда-то считалось последним местом упокоения фараонов, воплощением постоянства, бессмертия, и других свойств Абсолюта, в итоге превратятся в холодные угольки, плавающие в космосе.

Алан Лайтман — физик и писатель, профессор гуманитарных наук в MIT. Выдержка из книги: В поисках звёзд на острове Мэн (с) 2018 (Searching for Stars on an Island in Maine)
Support the author
Share post

Comments 17

    +4

    … а через 10^35 лет начнут коллапсировать черные дыры из-за потери массы в излучение Хокинга — и звезды загорятся вновь (ещё на примерно 10^10 лет, до следующей лопнувшей ЧД)…
    … или через 10^12...10^24 лет Вселенная обратно схлопнется…
    … правда, примерно через 10^3..10^6 лет смотреть на звезды конечного мира опять станет некому…
    … ещё веселее, если Бог таки придет в этот период времени…
    … и ещё веселее, если мы себя выпилим в ядерной войне, и все эти размышления окажутся полностью бесплодными.
    Жалко Галилея, хорошие вещи изучал, и потребовалось почти 50 лет, чтобы до церковников дошло, что мир все-таки далеко не один на самом деле.
    Вот только чего я не понимаю, так это того, что пятна на Луне видны невооруженным глазом — неужели никто не подумал, что Луна изначально неровная?

      0
      «Если бы мы представили, что поместили звезду в гигантскую коробку, то общая энергия в этой коробке оставалась бы постоянной...». С чего бы это? Масса звезды постоянно уменьшается, «потерянная» масса превращается в лучевую энергию+частицы (как раз по формуле E=mc2), которая расходится по всей Вселенной. Если бы энергия не менялась, мы бы звезду не увидели… А так фотоны улетают во все стороны…
        0
        Автор имел в виду, что все фотоны оставались бы в коробке.
          +3
          Заголовок спойлера
          image
        +2
        … он смог создать телескопы с тысячекратным увеличением, и объекты в них казались в 30 раз ближе, чем на самом деле

        Ошибка в оригинале, на самом деле всё наоборот, увеличение у последнего телескопа Галилея было тридцатикратным (34 крата, строго говоря), а кажущееся приближение-тысячекратным (34^2=1156).
          0
          Если кажущееся приближение порядка 1000, то это как будто Луна находится на расстоянии около 400 км от наблюдателя. Это как раз 1000-кратное увеличение. Для 30-кратного телескопа эффективное приближение будет в эти самые 30 раз (если совсем грубо).
          Непонятно, кончено, что в оригинале имеется в виду под «telescopes that magnified a thousand times», но возведение кратности в квадрат тоже выглядит странным.
            0
            как будто Луна находится на расстоянии около 400 км от наблюдателя

            А так и есть. Продольное увеличение равно квадрату поперечного. По ссылке вывод формул для одиночной идеальной линзы, но телескоп в общем случае сводится к двум таким линзам, вторая рассматривает изображение после первой, и формула справедлива и для телескопа. В исходной статье просто перепутали увеличение с приближением.
              0
              Спасибо, я понял, что Вы имеете в виду. Но продольное увеличение предмета — это все же совсем другое. Если посмотрите по Вашей же ссылке, то важным условием является малость продольного размера объекта по сравнению с расстоянием от объекта до линзы. Расстояние от объекта до линзы этому условию, очевидно, не удовлетворяет.

              Представьте себе глаз как камеру-обскуру и просто нарисуйте изображение предмета, находящегося на расстоянии L от дырки, на задней стенке камеры. Теперь пусть посредством чего-то (телескопа в данном случае, но это не важно) линейный размер изображения на стенке камеры стал в N раз больше. Вопрос — на каком расстоянии от дырки камеры нужно расположить исходный предмет (уже без телескопа), чтобы картинка на стенке камеры имела такой же размер? В приближении малых углов, когда тангенсы можно аппроксимировать просто их аргументами, получится L/N.
                0
                Наверное вы правы, для астрономически удалённых объектов и правда нет смысла оперировать продольным увеличением в качестве «приближения» — в подавляющем большинстве реальных систем разница между дистанциями фокусировки будет очень мала и вся уложится в глубину резкости, и глазом разницу аккомодаций между сотней метров и сотнями километров тоже не почувствовать. Но если уж вставлять в статью ради красного словца, то хотя бы правильно :)
          0
          del (не туда запостил)
            0
            съемы подсчёта
            и
            методы подсчёта
            — должно быть, системы отсчёта?
              +1
              Обожаю жить в XXI веке. Любой счастливый обладатель ультразум-цифромыльницы может прямо сейчас посмотреть на юг и сфотографировать на 50х розовый и круглый Марс между проводов, свисающих с соседнего дома (это вчерашняя фотка, но сегодня он там же).

              А два часа назад можно было сфоткать (что я и сделал — попробуйте завтра и вы) Юпитер со спутниками (слева направо: Каллисто, Европа, Ио, Ганимед — и представить, что почувствовал Галилей, когда увидел их в самый первый раз) и Сатурн с кольцами (красный, потому что низковато над горизонтом, и атмосферная дымка), а также самостоятельно убедиться, что Луна зазубренная.

              А в безлунную и ясную ноябрьскую ночь можно и туманности попробовать поймать на ту же самую цифромыльницу, если выехать чуть-чуть загород, подальше от засветки… небо — оно теперь близко.
                0
                «Чуть-чуть» за город — не хватит все-таки, особенно если город — дефолт-сити. Там с магистралей засветки хватает, чтобы ничего туманного не разглядеть, даже Млечный путь. Вот чуть-чуть за Магадан — это вариант.
                  +1
                  Ну, километров за 40–50. Главное, чтобы поблизости не было какого-нибудь тепличного хозяйства. Есть полезная карта.
                    0
                    Давно как-то находил, вроде бы не эту, но эта кажется лучше. Ну да, в районе, где у нас дача, засветка в желтой зоне, не видно никаких туманностей, Млечного пути тоже. Обидно. Про город молчу, светло как днем.
                      +1
                      Я вот к счастью не в дефолт-сити живу, а соседний с дачей тепличный комбинат иногда осенью, когда у них не сезон, ремонтируют :)

                      Несколько лет назад в конце сентября я как-то заночевал на даче, и M31 к своему большому удивлению наблюдал без оптики вообще. Она относительно яркая, центральный диск больше луны, и краем глаза зацепляется хорошо. Видится как овальное размытое облако. Очень жалею, что не взял тогда с собой фотик, ясные ночи осенью в нашем городе бывают ну очень редко.
                      0
                      Врёт подчистую, сравнил Москву и ближайшее подмосковье (неба нет из-за засветки), свою дачу (рядом большой соритровочный узел, небо есть, но засветка сильная, 100км), дачу друга в «начале» Владимирской области, кругом леса, в радиусе пары десятков км нет городов, только да дачки), и пару мест в Германии, которые знаю. Так вот, в Берлине засветки почти нет, а когда жил в Йене (100 тысяч город, красный по карте) — так там млечный путь с балкона было видно. При том, что живя в подмосковье, не видел его ни разу — и в глухом лесу Владимирской области было видно не сильно лучше. Вот когда электричества 2 ночи не было — тогда да, первый раз в жизни небо нормально увидел))

                Only users with full accounts can post comments. Log in, please.